JP2005195856A - 定着装置及びこれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スポンジからなる弾性層を加圧ローラに設けた構成でも、紙シワの発生を確実に防止し、さらに紙カールに起因する画像欠陥及び紙ジャムの発生を確実に防止し得るように構成する。
【解決手段】 逆クラウン形状をなすローラの逆クラウン量が、所定の定着温度状態においても所定量確保可能な余裕をもって設定されたものとする。特に逆クラウン量は、ニップ部３２において軸線方向端部でのニップ幅Ｗ_aに対する軸線方向中心部でのニップ幅Ｗ_bの比率Ｗ_b／Ｗ_aであるニップ幅係数が上限値０．９を越えないように設定されたものとする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一対のローラで記録紙（画像形成媒体）を挟み込んでトナーを定着させる定着装置及びこれを備えた画像形成装置に関するものである。

画像形成装置（プリンタ、ファクシミリ、複写機、複合機など）では、感光体から記録紙上に転写された未定着のトナーを熱と圧力により記録紙に定着させる定着装置が設けられている。この定着装置では、加熱ローラと加圧ローラとの間に記録紙を挟み込み、これら一対のローラの回転により記録紙を搬送しつつ、トナーの定着に必要な高い圧力で記録紙を押圧する構成となっている。このため、一対のローラ間に記録紙を通過させる際に、記録紙に機械的なストレスを与え、このストレスが原因で記録紙にシワが発生することがある。

このような記録紙に生じるシワを防止するため、従来、加熱ローラあるいは加圧ローラを、その外径が軸線方向端部から中心部に向けて次第に小さくなる逆クラウン形状とした構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この構成では、記録紙の進行方向と直交する向きに記録紙の中心部から端部に向かう引張力が発生してシワの発生を防ぐことができる。この外向きの引張力は、ローラの端部の外径Ｄ_aと中心部の外径Ｄ_bとの差である逆クラウン量Ｄ_a−Ｄ_bの大小に応じて変化する。
特開平４−２７４４７３号（第２図）

しかるに、定着装置では、ヒータにより加熱ローラが所要の温度域に制御される一方で、加熱ローラからの伝熱により加圧ローラの温度も上昇し、他方、加熱ローラ及び加圧ローラを支持するフレーム材などを介した放熱も生じる。このとき、軸線方向の中心部分に比較して軸線方向の端部分での放熱量が大きいため、ローラの軸線方向での温度分布が均一にならず、中心部分に比較して端部分の温度が低下して熱膨張量も少なくなる。このため、ローラの逆クラウン量が小さくなり、これにより外向きの引張力が低下するため、紙シワが発生し易くなる。

特に、近年の省エネの要請により、従来の密実なゴム材に替えてスポンジ材からなる弾性層を加圧ローラに設けた構成のものが採用されるようになってきたが、このスポンジ材からなる弾性層は、放熱性が低いために温度の上昇量が大きく、これに応じて熱膨張による形状変化も大きくなり、逆クラウン量を低下させて紙シワを発生し易くすることから、十分な対策が望まれる。

他方、熱膨張による逆クラウン量の低下を見越して、昇温状態でも十分な逆クラウン量が確保されるように、逆クラウン量を予め大きく設定しておく方法も考えられるが、加熱ローラの逆クラウン量が過大であると、ローラに記録紙が挟み込まれた際に、図７に示すようにローラ１０１の逆クラウン形状に沿って記録紙Ｓに大きなカールが発生し、このカールに伴って記録紙Ｓの後端Ｓ_Eが跳ね上がる現象が発生する。この記録紙の跳ね上がり現象は、周辺のガイド部材に記録紙を接触させて、記録紙上の未定着のトナーを乱して画像欠陥を引き起こしたり、あるいはジャムを発生させる要因となることから、避けるべきである。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、スポンジからなる弾性層を加圧ローラに設けた構成でも、紙シワの発生を確実に防止し得るように構成された定着装置及びこれを備えた画像形成装置を提供することにある。さらに本発明は、紙カールに起因する跳ね上がり現象による画像欠陥及び紙ジャムの発生を確実に防止し得るように構成することも目的とする。

このような課題を解決するために、本発明においては、請求項１に示すとおり、画像形成媒体上のトナーを熱溶融させる加熱ローラと、この加熱ローラとの間に画像形成媒体を挟み込んで押圧する加圧ローラとを有し、前記加圧ローラは、スポンジ材からなる弾性層を有し、前記加熱及び加圧の両ローラの少なくとも一方は、逆クラウン形状をなし、その逆クラウン量が、所定の定着温度状態においても所定量確保可能な余裕をもって設定されたものとした。

これによると、スポンジ材からなる弾性層に定着温度状態で大きな熱膨張が生じても、逆クラウン量の余裕により所要の逆クラウン形状にローラが保持されるため、紙シワの発生に対する防止効果が発揮され、紙シワの発生を確実に防止することができる。

さらに請求項２に示すとおり、前記逆クラウン形状をなすローラは、軸線方向端部のニップ幅に対する軸線方向中心部のニップ幅の比率であるニップ幅係数が、所定の定着温度状態において上限値０．９を越えないように設定されたものとした構成とすることができる。これによると、紙シワの発生をより一層確実に防止することができる。紙シワの発生を防止するには、加熱及び加圧の両ローラによるニップ部が、所定の定着温度状態においても、軸線方向端部から中心部に向けて次第に幅狭となる逆クラウン形状に保持されれば良く、これを基準にして逆クラウン量を設定することで、紙シワを確実に防止することができる。

さらに請求項３に示すとおり、前記加熱ローラは、逆クラウン形状をなし、その逆クラウン量が１３０μｍから１６０μｍの範囲内で設定されたものとした構成とすることができる。これによると、逆クラウン形状による紙カールを小さく抑えることができるため、紙カールに起因する跳ね上がり現象による画像欠陥及び紙ジャムの発生を確実に防止することができる。

さらに請求項４に示すとおり、前記加圧ローラは、逆クラウン形状をなし、その逆クラウン量が１００μｍから３００μｍの範囲内で設定されたものとした構成とすることができる。これによると、加熱ローラの逆クラウン量を大きく設定しなくてもニップ幅係数を小さく抑えることができるため、紙カールに起因する跳ね上がり現象によるトラブルの発生を確実に防止しつつ、紙シワの発生を確実に防止することができる。

このように本発明によれば、逆クラウン形状をなすローラを、所定の定着温度状態においても逆クラウン量が所定量確保可能な余裕をもって設定されたものとすることで、温度上昇によりスポンジ材からなる弾性層に大きな熱膨張が生じても、紙シワの発生を確実に防止することができ、さらに逆クラウン形状をなすローラの逆クラウン量を適切な範囲で設定することで、ローラの逆クラウン形状に起因する記録紙の跳ね上がり現象による画像欠陥及び紙ジャムの発生を確実に防止することができ、エラーの少ない高い信頼性を有する定着装置を提供する上で大きな効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明が適用された複写機の概略構成を示す模式的な断面図である。この複写機（画像形成装置）は、原稿の画像を読み取る原稿読取部１と、ここで読み取った原稿の画像をトナーで記録紙（画像形成媒体）上に形成する画像形成部２と、ここで記録紙上に形成されたトナー像を定着させる定着部（定着装置）３とを有し、画像形成部２には給紙部４から記録紙Ｓが供給され、定着部３で定着処理が終わった記録紙が外部に排出される。

原稿読取部１では、スキャナ１１により原稿の画像が読み取られ、このスキャナ１１からの画信号が制御回路１２に入力される。画像形成部２では、制御回路１２からの画信号に基づいてレーザ走査ユニット１３が動作し、感光体ドラム１４に対してレーザ光が照射されて静電潜像が形成された後、その静電潜像がトナーにより現像され、これにより得られたトナー像が転写ローラ１５により記録紙に転写される。

図２は、図１に示した定着部の要部を詳細に示す断面図である。定着部３は、記録紙（画像形成媒体）Ｓ上のトナー像Ｔを熱溶融させる加熱ローラ２１と、この加熱ローラ２１との間に記録紙Ｓを挟み込んで押圧する加圧ローラ２２とを有している。

加熱ローラ２１は、アルミニウム合金材からなる中空円筒状の芯金２４と、この芯金２４の内部に収容されたハロゲンランプなどからなるヒータ２５とを有している。芯金２４の表面には、フッ素樹脂などからなる離型層２６が形成されている。

加圧ローラ２２は、アルミニウム合金材からなる中空円筒状の芯金２８と、この芯金２８の周囲に形成された弾性層２９とを有している。弾性層２９は、発泡シリコーンゴムなどのスポンジ材からなっており、中空円筒状に成型された上で、内部に芯金２８を挿入して組み付けられる。弾性層２９は、層厚が６．９〜７．１ｍｍとなるように形成され、そのスポンジ材には、例えば硬度４８°（アスカーＣ）のものが用いられる。

加圧ローラ２２は、加圧ばね３１により加熱ローラ２１に圧接する向きに付勢されており、その付勢力により加圧ローラ２２が加熱ローラ２１に押し付けられて弾性層２９が圧縮変形し、これにより記録紙Ｓを挟み込むニップ部３２が周方向に所定の幅をもって形成される。

この他、定着部３においては、加熱ローラ２１の表面を清掃するクリーニングローラ３３が加熱ローラ２１に当接している。また、記録紙Ｓは、ガイド部３５により加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２によるニップ部３２に案内され、このニップ部３２から抜け出した記録紙Ｓは、図示しない搬送ローラ及びガイド体に案内されて排紙ローラ３４に導かれる。

定着部３が起動されると、加熱ローラ２１は、内部のヒータ２５によりトナーの定着に適した所定の温度域（例えば１７７℃〜１８７℃）に制御され、また加熱ローラ２１からの伝熱により加圧ローラ２２の温度が上昇し、加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２に熱膨張が生じる。特に加圧ローラ２２のスポンジ材からなる弾性層２９に大きな熱膨張が生じ、これに応じてニップ部３２の形状が大きく変化する。

図３は、図２に示した加熱ローラ及び加圧ローラを示す上面図である。ここでは、加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２の双方が共に、外径が軸線方向端部から中心部に向けて次第に小さくなる逆クラウン形状に形成されている。加圧ローラ２２は、その外周面が側面視で略Ｖ字形状の外形輪郭をなし、端部から中心部に向けて直線的に外径が小さくなる逆クラウン形状となっている。加熱ローラ２１もこれと同様である。

記録紙Ｓは、加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２における所定の通紙幅内を通過し、この通紙幅は、Ａ３サイズの短辺の寸法に対応して設定されている。

加熱ローラ２１は、紙カールに起因する跳ね上がり現象による画像欠陥及び紙ジャムの発生を確実に防止するため、通紙幅内での軸線方向端部２１ａでの外径Ｄ_1aと軸線方向中心部２１ｂでの外径Ｄ_1bとの差である逆クラウン量Ｄ_1a−Ｄ_1bが、１３０〜１６０μｍの範囲内で設定される。この加熱ローラ２１の外径の逆クラウン形状は、金属製の芯金２８の外周面によるものであり、その外周の離型層２６は均一な層厚である。

加圧ローラ２２では、通紙幅内での軸線方向端部２２ａでの外径Ｄ_2aと軸線方向中心部２２ｂでの外径Ｄ_2bとの差である逆クラウン量Ｄ_2a−Ｄ_2bが、１００〜３００μｍの範囲内で設定される。芯金２８は外径が軸線方向に沿って均一な真直な形状に形成されており、加圧ローラ２２の外径の逆クラウン形状は、合成樹脂製の弾性層２９の外周面によるものである。

加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２は、定着温度状態で、軸線方向の端部分からの放熱により、軸線方向端部２１ａ・２２ａでの熱膨張の度合いが軸線方向中心部２１ｂ・２２ｂに比較して小さくなり、これにより加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２の逆クラウン量が小さくなる。

図４は、図３に示した加熱ローラと加圧ローラとによるニップ部の形状変化の状況を示しており、（Ａ）に初期状態を、（Ｂ）に連続通紙後（定着温度状態）を示している。ニップ部３２は、加圧ローラ２２の弾性層２９の変形により加熱ローラ２１の周面に沿って湾曲して形成され、ここではその湾曲面を平面上に展開して示している。

ニップ部３２は、加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２の逆クラウン量に応じて、周方向の寸法であるニップ幅Ｗが軸線方向端部から中心部に向けて次第に小さくなる逆クラウン形状をなしており、このニップ部３２の逆クラウン形状により記録紙の中心部から端部に向かう引張力が発生してシワの発生を防止することができる。

ここでは紙シワを抑制するニップ部３２の逆クラウン形状の度合いを判定する基準として、軸線方向端部でのニップ幅Ｗ_aに対する軸線方向中心部でのニップ幅Ｗ_bの比率Ｗ_b／Ｗ_aとして求められるニップ幅係数Ｘが用いられる。

加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２は、温度が上昇すると、中心部と端部での放熱量の差により生じる軸線方向に不均一な熱膨張により逆クラウン量が小さくなり、これに伴って軸線方向端部でのニップ幅Ｗ_aに対して軸線方向中心部でのニップ幅Ｗ_bが相対的に増大して、ニップ幅係数Ｘ（＝Ｗ_b／Ｗ_a）が大きくなる。そこで、紙シワの発生を確実に防止するため、ニップ幅係数Ｘが、初期状態及び定着温度状態のいずれでも０．９を越えないように、加熱ローラ２１及び加圧ローラ２２の逆クラウン量が設定される。

図５は、加熱ローラ及び加圧ローラの別の例を示す上面図である。ここでは、加熱ローラ４１のみが逆クラウン形状に形成されている。加圧ローラ４２は、外径が軸線方向に均一な真直な形状に形成されている。図３に示した例と比較すると、加熱ローラ４１の逆クラウン量が図３の加熱ローラ２１と同一であれば、加熱ローラ４１と加圧ローラ４２とにより形成されるニップ部４５は、軸線方向中心部でのニップ幅Ｗ_bが図３のニップ部３２より広くなるため、ニップ幅係数Ｘが大きくなり、紙シワが発生し易くなる。

図６は、加熱ローラ及び加圧ローラの各ケースごとのエラー発生状況及びニップ幅係数を示している。Ａ−１〜Ａ−３の各ケースは、図５に示したように加熱ローラのみを逆クラウン形状とし、その逆クラウン量Ｄ_1a−Ｄ_1bを段階的に大きくしたものである。Ｂ−１〜Ｂ−３の各ケースは、図３に示したように加熱ローラ及び加圧ローラの双方を逆クラウン形状とし、その加熱ローラの逆クラウン量Ｄ_1a−Ｄ_1bを段階的に大きくしたものである。ここでは、各ケースについて、Ａ３サイズの記録紙に対して全黒で画像形成したものを２０枚連続して通紙する処理を１セットとして、３回行わせている。

紙シワ発生の判断基準となるニップ幅係数Ｘについては、初期状態で全てのケースでニップ幅係数Ｘが０．９を越えない条件を満足しており、１セット目でいずれのケースでも紙シワの発生がない実験結果と良く適合している。他方、連続通紙後（定着温度状態）では、Ａ−１及びＢ−１のケースでニップ幅係数Ｘが０．９を越えており、２セット目及び３セット目で紙シワの発生がある実験結果と良く適合している。またＡ−２・Ａ−３及びＢ−２・Ｂ−３の各ケースでは、初期状態及び連続通紙後のいずれでもニップ幅係数Ｘが０．９を越えない条件を満足しており、全セットを通じて紙しわの発生がない実験結果と良く適合している。

また図７に示したように加熱ローラの逆クラウン形状により引き起こされる記録紙の跳ね上がり現象による画像欠陥及び紙ジャムについては、加熱ローラの逆クラウン量が１３０μｍから１６０μｍの範囲内に収まる条件を満たしていないＡ−３及びＢ−３のケースで、画像欠陥及び紙ジャムの発生があるのに対して、前記の条件を満足するＡ−１・Ａ−２及びＢ−１・Ｂ−２の各ケースでは、画像欠陥及び紙ジャムの発生が全くなく、逆クラウン量の条件と実験結果とが良く適合している。

本発明にかかる定着装置及びこれを備えた画像形成装置は、スポンジからなる弾性層を加圧ローラに設けた構成でも、紙シワの発生を確実に防止し、さらにローラの逆クラウン形状に起因する跳ね上がり現象による画像欠陥及び紙ジャムの発生を確実に防止する効果を有し、一対のローラで記録紙（画像形成媒体）を挟み込んでトナーを定着させる定着装置及びこれを備えた画像形成装置などとして有用である。

本発明が適用された複写機の概略構成を示す模式的な断面図 図１に示した定着部の要部を詳細に示す断面図 図２に示した加熱ローラ及び加圧ローラを示す上面図 図３に示した加熱ローラと加圧ローラとによるニップ部の形状変化の状況を示す展開図 本発明による加熱ローラ及び加圧ローラの別の例を示す上面図 加熱ローラ及び加圧ローラの種々の態様ごとのエラー発生状況及びニップ幅係数を示す図 ローラの逆クラウン形状に起因する記録紙の跳ね上がり現象を模式的に示す斜視図

符号の説明

３ 定着部（定着装置）
２１・４１ 加熱ローラ
２２・４２ 加圧ローラ
２９ 弾性層
３２・４５ ニップ部
Ｓ 記録紙
Ｔ トナー像

Claims (5)

1. 画像形成媒体上のトナーを熱溶融させる加熱ローラと、この加熱ローラとの間に画像形成媒体を挟み込んで押圧する加圧ローラとを有し、
   前記加圧ローラは、スポンジ材からなる弾性層を有し、
   前記加熱及び加圧の両ローラの少なくとも一方は、逆クラウン形状をなし、その逆クラウン量が、所定の定着温度状態においても所定量確保可能な余裕をもって設定されたものとしたことを特徴とする定着装置。
2. 前記逆クラウン形状をなすローラは、軸線方向端部のニップ幅に対する軸線方向中心部のニップ幅の比率であるニップ幅係数が、所定の定着温度状態において上限値０．９を越えないように設定されたものとしたことを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
3. 前記加熱ローラは、逆クラウン形状をなし、その逆クラウン量が１３０μｍから１６０μｍの範囲内で設定されたものとしたことを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
4. 前記加圧ローラは、逆クラウン形状をなし、その逆クラウン量が１００μｍから３００μｍの範囲内で設定されたものとしたことを特徴とする請求項２に記載の定着装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の定着装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
   

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